Conforme draagbare elektroden: van fabricage tot elektrofysiologische beoordeling

Draagbare elektronische apparaten zijn vandaag de dag de belangrijkste spelers in de monitoring van het menselijk lichaam. Er moeten aanpasbare huidinterfaces worden ontwikkeld om een hoge signaalresolutie en langdurige werking van huidsensoren te bieden. Hier zullen we presenteren hoe u eenvoudig tactiele en zachte textiele elektroden kunt fabriceren, karakteriseren en gebruiken als draagbare organische elektronische sensoren.

Om de prestaties van onze gefabriceerde sensoren te valideren, passen we een draagbaar elektronisch systeem toe om verschillende elektrofysiologische signalen van het menselijk lichaam te registreren. We stellen meerdere configuraties voor om verschillende fysiologische signalen eenvoudig in het laboratorium op te nemen. Het volgende protocol is gebruikt om elektroden te fabriceren op commercieel flexibele substraten, zoals tatoeagepapier en textiel.

De commerciële tattoo papier kit is ook voorzien van de lijmplaat. Tatoeagepapier heeft een gelaagde structuur met een ondersteunend vel papier, een in water oplosbare polyvinylalcohollaag, een vrij te geven polyurethaanfilm en een bovenste PVA-laag. Om draagbare sensor te fabriceren, begint u met het snijden van de subset van interesse.

Plaats de subset op de printerplaat en plak de rand om deze vlak te houden. Vul vervolgens de printercartridge met de commerciële inkt van pws nadat u deze hebt gefilterd. Dit is een nauwkeurige dispersie van het geleidende polymeer.

Print vervolgens uw ontwerp op de ondergrond. Voor tatoeagepapier en textiel, die meer de hoge oppervlakte-energie hebben, stelt u in de afdrukparameters een afstand van ongeveer 15 of 20 micrometer in. Droog daarna de elektrode in de oven op 110 graden Celsius gedurende 15 minuten om de oplosmiddelverdamping te voltooien.

De uiteindelijke geprinte sensor moet er zo uitzien op tatoeagepapier, stof, PET en rekbaar textiel. Om een externe connector naar het positiesysteem te fabriceren, snijdt u een rechthoekig stuk ultradun substraat, zoals PEN. Print erbovenop een rechthoekig ontwerp met drie PWS'en lagen.

Lamineer de ultradunne verbinding op de twee elektroden. Knip een gat in tattoo papier lijmvel. Lijn dit alles uit met het signaaldetectiegedeelte van de pws-elektrode van de tatoeage.

Voeg een stuk polymeertape toe aan het vrije uiteinde van de PEN-interconnectie. Om de tatoeage-elektrode over te brengen, verwijdert u de lijmvoering. Plaats de tatoeage op het gewenste deel van de huid.

Bevochtig het rugsteunpapier rechts, waardoor de tatoeage op zijn plaats blijft. Zodra het rugsteunpapier is doorweekt, schuift u het om het te verwijderen, waardoor alleen het elektrode-uiteinde van de overdraagbare ultrafilm op de huid achterblijft. Sluit vervolgens het platte PEN-contact aan op de externe acquisitie-eenheid.

Om de gefabriceerde elektrode te karakteriseren met behulp van elektrochemische impedantiespectroscopie, voert u uit op lichaamsmeting. Zorg er eerst voor dat de vrijwilliger comfortabel zit met een arm op de tafel in rust. Plaats vervolgens een elektrode op de huid en sluit deze aan op het werkende detectiepaar van de potentiële start.

Plaats vervolgens een andere elektrode op drie centimeter afstand van de eerste en sluit deze aan op de tellerelektrode. Plaats ten slotte de derde elektrode op de elleboog en sluit deze aan op de referentie-elektrodekabel. Start vervolgens de meting met de potentiaalstart.

Breng een stroom aan tussen de teller en de werkende elektroden en meet de potentiaalvariatie tussen het referentie- en het detectiepaar. Merk op dat de outputimpedantie berekend op elke frequentie uit twee bijdragen bestaat. De huidimpedantie en de huid-elektrode contactimpedantie.

In het volgende gedeelte wordt de ladderplaatsing voor elk biosignaal van belang beschreven. Een voorbeeld van elektro-visuele artikelbewaking met behulp van in de handel verkrijgbare C-links en C-rechts elektroden. Pas voor ECG een configuratie aan met drie elektroden, waarvan één als aarde.

Voor de elektrische activiteit van de hersenen, EEG, plaats de elektroden op het voorhoofd en rond de buitenste oren. Voor de elektrodermale activiteitsmeting, EDA, plaatst u twee elektroden aan de bovenkant van de linkerhand. Voer vervolgens de opname uit terwijl het onderwerp in rust is of lichaamsbeweging doet.

Om de prestaties van de elektrode te karakteriseren, rapporteerden we de representatieve impedantie van textielelektroden. Textielelektroden vertonen een iets hogere maar vergelijkbare impedantie dan CI-gesinterde rechter standaardelektroden. De vorm van de impedantiemodellen duidt op een iets hoger resistief gedrag in het geval van textielelektroden.

Terwijl de standaard CI gesinterd rechts typisch resistief capaciteitsgedrag vertoont. Door elektroden op de huid te plaatsen in verschillende lichaamsdelen, hebben we toegang tot meerdere biosignalen. De EEG-tracering verdrong de elektrische activiteitsregistratie van de populatie van actieve neuronen.

Een van de basisgroep van hersengolven is de Alpha tussen 8 en 13 hertz. De Alpha-golven weerspiegelen de toestand van de hersenen onder ontspanning en kunnen worden geïnduceerd door het onderwerp te vragen zijn ogen te sluiten. De grijze verticale streepjeslijn markeert het moment in de opname waarop de vrijwilliger werd gevraagd zijn ogen te openen.

De ECG-tracering toont de polarisatie en de polarisatie van het atrium en de ventrikels van het hart, vertegenwoordigd door het karakteristieke patroon bestaande uit de P-golf, IQRS-complex en een T-golf. De R-pieken vertonen de hoogste amplitude en worden gebruikt om de hartslag te berekenen door rekening te houden met de tijd tussen twee opeenvolgende. We registreerden de EMG-tracing terwijl de vrijwilliger de kracht van de R-spieren geleidelijk verhoogde.

De geïntensiveerde spieractiviteit wordt gekwantificeerd door de toename van de amplitude van de spanningspieken. In een EMG-tracering weerspiegelen pieken met amplitude van enkele microvolt tot enkele minivolt in het frequentiebereik van 10 tot duizend hertz de spier van de hyperactiviteit, aangedreven door de actiepotentialen van de motoreenheid. De EDA-tracering bestaat meestal uit een tonicum en een wazige component.

De tonische component weerspiegelt het huidgeleidingsniveau en komt overeen met het achtergrondsignaal. De fuzzy component weerspiegelt de reactie van het onderwerp op een specifieke stimulus en is detecteerbaar door verandering in de huidgeleidingswaarde. Deze tracering wordt gebruikt om het menselijke stressniveau en de hydratatie van het lichaam te evalueren.

Met ons protocol verkrijgen we een zachte en comfortabele huidsensor voor het patroon van een geleidende inkt op vaak zachte cel recht. En het printen is een lokale en schaalbare techniek die zich onderscheidt van traditionele micro-elektronische fabricageprocessen. De voorgestelde methode beschrijft hoe elektrosignalen kunnen worden verkregen die variëren van zwakke neuroactiviteit tot spiercontractie met een hoog vermogen.

Het signaal maakt het mogelijk om binnen te komen in de fysiologische status van het lichaam van de gebruiker. Van een rol presenteren we de eerste stap over de haalbaarheid van naadloze verbale apparaten voor een verscheidenheid van mijn medische toepassingen, die is gesponnen van fitness tot gezondheidszorgmonitoring.